京都大学防災研究所年報 第 56 号 B 平成 25 年 6 月
Annuals of Disas. Prev. Res. Inst., Kyoto Univ., No. 56 B, 2013

浮遊火山灰拡散モデルの検証に関わる現地計測
In-situ Measurement Concerning the Verification of an Air-borne Volcanic Ash Diffusion Model

安田成夫・梶谷義雄・國友 優 (1)・Jonas ELIASSON(2)・Andreas VOGEL(3)桃谷辰也(4)
Nario YASUDA, Yoshio KAJITANI, Masaru KUNITOMO (1), Jonas ELIASSON (2), Andreas VOGEL(3)and Tatsuya MOMOTANI(4)(1) 国土交通省九州地方整備局(2)アイスランド国アイスランド大学地震工学センター(3)ドイツ国応用科学デュッセルドルフ大学(4)一般財団法人

日本気象協会(1) Kyusyu Regional Bureau, MLIT
(2) University of Iceland, Iceland(3) University of Applied Science Dusseldorf, Germany(4) Japan Weather Agency
Synopsis
It is clear that no-fly zone of the airplane during a volcanic eruption has the great
influence on the economic activity of the area, based on the 2010 eruptions ofEyjafjallajökull in Iceland. When existence of volcanic ash clouds is estimated as aresult of prediction calculation, it becomes impossible to fly the airspace. However,during the volcanic eruption of Iceland, European aviation authorities took the measu rewhich loosens no-fly zone of an airplane according to the concentration of volcanic ash
in order to avoid confusion of an air route at an early stage. In that case, the diffusion ofvolcanic ash clouds grasps viewing or a satellite photograph, and the concentration of
volcanic ash is measured by LIDAR (detection by a laser picture) and the dust meter inthe light airplane.
This research firstly aims at grasping the three-dimensional structure of volcanic ash
plume by the in-situ airborne ash measurement. The atmospheric diffusion model which
predicts the volcanic ash concentration is verified by the comparison between observedand calculated values. The in-situ field is Mt. Sakurajima in Kagoshima where theeruption frequency is high.
By the X band MP radar which the Ministry of Land, Infrastructure, Transport andTourism installed in Tarumizu City, the distribution and shade of the air-borne volcanic
ashes by the eruption of Sakurajima was measured. However, the physical evaluation ofthe measurement value was considered to be needed, and the possibility of the practical―1―

usage of X band MP radar was also investigated.

キーワード：航空路火山灰，現地計測，ＸバンドＭＰレーダ
Key words; Aviation volcanic ash, field monitoring, X-band MP radar

1. まえがき
浮遊火山灰に対する民間航空機の安全な飛行を確保するために，航空路火山灰情報が提供されている．
わが国の場合，火山灰情報は，国内の気象庁のほか，海外やパイロットレポート，さらには衛星による火山灰雲の監視を情報源として，可視・赤外・差分画像による検知を行っている．それらの情報に基づいて，航空路火山灰拡散モデルを用いて予報間隔 6 時間毎に 18 時間先の予報を行っている．最終的にテキストと図情報というかたちで，周辺に火山雲が検知されている間，実況と予測が発表される(新堀・桜井,2010)．

Fig. 2 Plume tracking measurement: May 11th trackingof the Eyjafjallajokull plume.

Fig. 3 Ash prediction of May 23rd 2011 from VAAC
London; Plume is not visible from IMO (IcelandFig. 1 Flight over the L Reykjavik

Meteorological Office) in Reykjavik but haziness seen in
ところで，2010 年のアイスランド Eyjafjallajokull

the eastern sky.の噴火時には，ロンドン VAAC から発表された航空路火山灰情報に基づいてヨーロッパ上空の飛行禁止

イキャビク上空，あるいは Fig. 2 に示すように墳火区域が設定された．広範囲に飛行制限区域が設定さ口から噴出した浮遊火山灰周辺を飛行した(Eliasson,れたためにフライトのキャンセルが相次ぎ，大きな2010)．さらに，2011 年 5 月 23 日のアイスランド，経済的損失を招いてしまった．英国議会では，航空

Grimsvotn が噴火した際には，早ければ 24 日にイギ

路火山灰情報による飛行制限区域の範囲が，過大にリス，26 日にはフランス，スペインに到達すると予設定されていないかとの指摘があり，公聴会が開か想された．しかしながら，英国気象庁による Fig. 3れるほどであった（安田ら, 2011）．当時の対応としが示すように，2010 年に採用された飛行制限の緩和ては，浮遊火山灰濃度に応じて飛行制限区域を設け措置により，火山灰の影響範囲がかなり縮小されるる方向へ展開した．一方，アイスランドでは，実際こととなった．筆者らの二人は，Grimsvotn が噴火しに浮遊している火山灰濃度を計測するために，Fig. 1た際においても，セスナ機によって浮遊火山灰濃度に示すようにセスナ機に計測機器を搭載して首都レの計測を実施した(Eliasson, et al., 2011; Weber, et al.,―2―

2012). 計測値は速やかに欧州大陸を拠点とするする航空会社に伝達され，航空機の飛行の安全に貢献している．
今回，筆者らの二人がアイスランドで実施した浮遊火山灰の計測手法を，桜島噴火に伴う浮遊火山灰の濃度計測に試みた．同時に，浮遊火山灰の濃度を計測している時刻に，ＸバンドＭＰレーダによる三次元（CAPPI；Constant Altitude Plan Position Indicator）
観測データが得られている．さらに，南日本新聞社が桜島をビデオにより定点観測しているが，セスナ機による計測時刻の画像も得られている．併せて，過年度に継続して，無人飛行機を活用した浮遊火山
灰濃度あるいはその粒度分布特性の計測を実施したのでここに報告するものである．
Photo 1 View of Sakurajima eruption from Miyazaki City
(80kmfromSakurajima)

onJuly24,2012:

http://www.youtube.com/watch?v=DmTGjwwHkik(a) Section of CAPPI on July 24, 2012

Fig. 5 Distribution of volcanic plume at 15:00 of July 25,
2012 by diffusion model(b) Plan of CAPPI on July 24, 2012
Fig. 4 Height of eruption column was not observed
due to the limitation of ascending vertical angle ofX-band MP Radar.

2. X バンド MP レーダによる桜島噴煙柱の計測
安田ら(2012)は，X バンド MP レーダ（以下，Xバンドレーダ）による火山灰計測の可能性について示した．2012 年 7 月 24 日 19 時頃，桜島南岳で大規模な火山噴火があり，X バンドレーダにより Fig. 4

Fig. 6 Distribution of volcanic plume at 19:46 of July 24,に示す CAPPI(Constant Altitude Plan Position Indicator)

2012 by X Band MP Radar―3―

が得られている．(a)に示す断面図は X バンドレーダの設定上最上部のまでは計測されていないものの，標高 1,500m 付近について(b)に示す平面図が得られている．東京 VAAC の発表によれば噴煙柱の高度は海抜 5,400m に達している．火山噴火が大規模であったため，桜島直近からは噴煙の様子が把握しきれなかった．実際の噴煙柱を桜島から遠くはなれた宮崎市からのものを Photo 1 に示す．写真映像によれ
ば X バンドレーダによる CAPPI は実際の噴煙柱の外形をほぼ再現していることが理解される．(b）の平面図は２分間隔で浮遊火山灰の移動を追跡することが可能であり，今回噴煙は桜島の西に位置する鹿児島市内方向へと流れた．Fig. 5 は火山灰拡散モデ
ルによって，当日の浮遊火山灰の移動を計算によりPhoto 3 Air-pump and filter folder; Air-pump has再現した平面図である．計算結果は，翌日 25 日午後

5000cc/min. of maximum suction capacity.

３時である．X バンドレーダによって計測された火山灰の分布はレーダの計測範囲の制限により 24 日
19：46 以降トレースができていない．

3. 無人飛行機(UAV)による計測
過年度に引き続き ，無人飛行機(UAV; UnmannedAerial Vehicle)（安田ら, 2012）による浮遊火山灰濃度計測の予備試験を実施した．今回は，過年度に製作した浮遊火山灰採取のための器具とデジタル粉塵計を同一の格納器内に設置し，同時に浮遊火山灰濃度と火山灰の粒径分布を計測した．

Photo 4 Digital dust mater, filter folder inside windshelter and small video camera; Wind shelter is attached3.1 使用した計測機器

in the front of UAV観測に使用したデジタル粉塵計（光散乱式）を Photo
2 に示す．デジタル粉塵計は，Photo 3 に示すフィル
タフォルダ（速水ら，2006）とともに Photo 4 に示す球形の格納器に搭載した（安田ら, 2012）．フィル
タフォルダは，空気力学の原理によって浮遊している微量微粒子を分級する．本器は，毎分 5000 ㏄の吸引能力を有する真空ポンプをチュウーブで繋ぎ，浮遊火山灰をフィルタ内に吸引する．フィルタ内には
毎分 5000 ㏄の吸引時に粒子径 2.5μm，10.0μm を分級するインパクトがセットされており，分級されPhoto 5 Adsorbed ash on the donuts type filter (Outerdiameter; φ47mm)
た火山灰粒子は，円盤型フィルタ（外径 47 ㎜）あるいは Photo 5 に示すようにドーナツ型フィルタ（外径 47 ㎜）に吸着される．フィルタは予め重量を電子天秤で計測しておき，火山灰吸着後のフィルタを再度計測することにより，火山灰の重量を求めた．まPhoto 2 Digital dust meter

た，一連の作業では，フィルタはジップロック付の―4―

ポリ袋に入れた状態で計測しておく．このようにして，計測中に吸着された火山灰の飛散を防いだ．UAVは，一旦離陸すると最大３時間程度飛行するため，デジタル粉塵計は離陸直前に計測を開始し，フィルタフォルダに接続するポンプは，内蔵のタイマーによって火山灰採取を開始・終了させた．

3.2

予備試験および試験結果

国土交通省大隅河川国道事務所が砂防工事を実施している黒神地区を UAV の離発着場として，予備試験を実施した．黒神地区は桜島の東方に位置し，浮遊火山灰が東方向に棚引く日時に使用することとしFig. 8 Grain size distribution curve of volcanic ash inた．今回の飛行最高高度は 1000m とした．フィルタ

Sakurajima. YHNR-1,-2 are obtained at Yunohira

フォルダに接続したポンプの吸引のタイミング，あObservatory. FLIGHT-2, 3 are observed by UAV. Tephra

るいはデジタル粉塵計による計測値について UAV

fall in Kagoshima City after Ohba, et al (1981) isの離陸から着陸までの変化を把握することを目的と

arranged to compare the observed data.
付近でフィルタフォルダによって UAV 周辺の大気を採取していることを示している．この飛行では，浮遊火山灰の下辺りを通過している．フィルタフォ
ルダによって採取された浮遊火山灰の全重量とポンプが吸引した体積によって，採取時間における単位体積当たりの火山灰重量が求められる．その値とデジタル粉塵計によって求められたカウント値との関係を導き出すことによって，デジタル粉塵計を用いた火山灰の重量濃度を求めることができる．今回約(a) Digital dust meter

10 分間に採取された浮遊火山灰の重量から，同じ時刻の間に得られたデジタル粉塵計の値を求めたとこ
ろ 48mg／㎥と大きめの値であり，さらなる検討が必要である．
黒神川上空の浮遊火山灰並びに桜島の中腹の湯ノ平展望台駐車場の降下火山灰について，粒度分布曲線を Fig. 8 に示す．この図では，データを整理する都合上，火山灰の最大粒径，最尐粒径をそれぞ れ
100.0μm，0.1μm と設定している．火山灰粒径，2.5μm，(b) Elevation of UAV by GPS

10.0μm はフィルタフォルダによって採取された値でFig. 7 Counts per minutes of digital dust mater and flight

あり，円盤型フィルタで採取された重量を合わせた

elevation of UAV. (b); Legend of SAMP GPS EL. shows

全重量の比から粒径加積率を求めている．FLIGHT-2,

air-borne ash sampling of 10 minutes by filter folder.

3 は，UAV による粒度分布曲線であり 10.0μm 粒径以下の重量は 60～80％の範囲にある．一方，YNHR-1,2している．Fig. 7 にデジタル粉塵計による計測値とは湯ノ平展望台駐車場での粒度分布曲線であり，計GPS による UAV の飛行高度を示す．デジタル粉塵計

測では，駐車場に堆積した降下火山灰を一旦舞い上の値は，離理着時に高い値を示しており，地表付近げさせたものを採取した．湯ノ平展望台での採取は，に舞っている粉塵が計測されていると考えられる．

火山灰以外の粉塵の混入を避け，計測は観光客が途一方，高度 800ｍ付近で計測値が下がっているが，2絶えた夕方に実施した．また，火山灰の強制的な舞～3 地点で大きな値を示しており，浮遊火山灰を補い上げは，リモートコントロールの小型ヘリにより足したと考えらえる．Fig. 7(b)は，GPS による UAV行った．10μm 以下の粒径加積率は YNHR では，約標高の経時変化を示す．図中の赤線は，標高 800m60％となっており FLIGHT に比較して細粒分が尐な―5―くなっている．浮遊火山灰の細粒分は，沈降が遅れるために加積率が尐なくなっていると考えられる．
本図には参考のために，大庭ら(1981)が鹿児島市内に堆積した火山灰の粒径分布曲線を示している．実際には 100μm 以上の粒径も採取されているが，最大粒径を 100μm として整理したところ，FLIGHT，YNHRよりも細粒分がかなり尐なくなっている．この違いは，大庭ら(1981)が計測した火山灰の原因となる噴火

Photo 8 Cessna172 (Similar plane used)

規模と，今回計測している火山灰の粒径分布を与える噴火規模が大きく異なっていることが考えられる．
例えば，大規模噴火では噴煙柱が高高度に達するために，筆者らが検討している粒径の微細な浮遊火山灰はより遠くへ拡散するのではないか．いずれにしても，今回得られた浮遊火山灰の粒度分布曲線は火山灰拡散モデルの入力値にとって大いに参考になると思われる．

4. セスナ機による現地計測
セスナ機に粉塵濃度計測装置を搭載して，桜島の(a) 1,200m-1,320m of flight elevation

浮遊火山灰濃度の計測を実施した．計測は直近に降雤がなく大気中の湿度が低く，雲が尐ない晴天時の3 日間に渡って実施した．計測時の気象条件として，湿度が高いと浮遊火山灰の周りに水分が吸着され正(b) 1,000m of flight elevation

Photo 6 Dust meter: Total, PM10, PM2.5, PM1.0particles are monitored. Brown tube from the dust meteris connected to the air vent of the plane.
(c) 1,600m-1800m of flight elevation
Fig. 9 Puff tracks by Cessna (original plan): Above;
Circumference of the puffs. Middle; Under the puffs.
Below; Zigzag tracks inside the puffs.
確な値が計測されない．また，雲があると肉眼によって浮遊火山灰との識別が困難になることによる．
Photo 7 Portable aerosol spectrometer: The instrument

4.1 使用した計測機器
計測に使用した火山灰濃度計測装置は，Dust meter

gives real time particles in 31 different size channels.

―6―と Portable aerosol spectrometer (SkyOPC)で Photo 6 お
よび Photo 7 に示す．Dust meter は，装置内に取り込んだ火山灰粒子にレーザ光を照射し，レーザ光を遮る火山灰粒子の個数をカウントすることにより濃度を計測する．本装置は粒子径 1.0μm 以下，2.5μm 以下，10.0μm 以下および全量の濃度を，6 秒間隔で表示する．SkyOpc は，Dust meter と同様の機能を有す
るが，31 チャンネルを有し，31 の粒子径について濃度を計測することが可能となっている．計測装置は，
Photo 8 に示すセスナ機，Cessna172 に搭載した．空中に浮遊する火山灰は，Photo 6 に示すようにセスナ

Photo10 Puffs tracks of Sakurajima (Direction of South)

機の空気取り入れ口（Vent）からコックピット内にon Jan. 15 2013 by Google earth.

蛇腹管を介して取り入れる．蛇腹管に計測装置の外気取り入れ口（Inlet）を接続する．蛇腹管の内腔断面積は，Vent の開口面積の約４倍となっており，計測装置内に火山灰を安定して取り込める構造となっている（Pena et al., 1977）．セスナ機の対空飛行速度は，浮遊火山灰粒子を機体内へ誘導する際に破砕しないように 80 ノット（時速 148 ㎞）に制限した．
セスナ機による計測時には，GPS(Global PositioningSystem)を搭載しているので飛行機の地理的な位置をリアルタイムあるいは記録されたデータにより後日確認できるようになっている．そのため，浮遊火山灰濃度が計測された地理的位置も特定することが可能である．また，GPS には時刻も記録されるので，セスナ機の飛行状況と X バンドレーダによる火山灰の浮遊状況についても比較することが可能となっている．

4.2 計測手順
京大桜島火山活動研究センター及び鹿児島気象台からの桜島噴火情報に基づいて，セスナ機の離陸を判断した．計測は，1 月 15 日，17 日，18 日の３日間

Fig. 10 Measured puffs on Jan. 15. 2013.: Above: Pufftracks, starting in point no 221 (blue) and ending in 354(violet), 25 points in each track, black arrow is the rp
vector from the crater. Black circles, centers of puff 1 and2. Below: Measured concentrations, filtered 16 times,
Photo 9 Puffs of Sakurajima at 8:00 on Jan. 15. 2013:

puff numbers shown.

Video slide from 373news.com by Minami Japan
Newspaper Co. (www.373news.com/_sakucap/)―7―

実施した．噴火後の浮遊火山灰は３日間とも北西の風に乗り，垂水市方面へ流れた．セスナ機は，桜島周辺に到着すると浮遊火山灰の流れる方向を確認するとともに，浮遊火山灰の影響を受けていない空域で大気の濃度計測を行い，バックグラウンド値を確認した．次に，浮遊火山灰の周辺を飛行することによって浮遊火山灰の境界付近の火山灰濃度を得ることができる．また，浮遊火山灰が風に乗って流れる方向に向かってジグザグに飛行することによって，浮遊火山灰濃度の二次元的な分布を把握することとPhoto11 Puffs tracks of Sakurajima (Direction of East)

した．今回使用したセスナ機のエンジンはジェット

on Jan. 16 2013 by Google earth.

エンジンではなく，レシプロエンジンなので，浮遊火山灰を吸引しても性能に及ぼす影響が極めて尐ない．そのため，気象条件によりセスナ機が浮遊火山灰の中に取り込まれても飛行の安全性に支障をきたすことはない．

4.3

ビデオカメラによる定点観測鹿児島市内に設置したビデオカメラによって桜島の噴煙を上げる様子が，一分間隔毎のスライドとして見ることができる（南日本新聞）．セスナ機による観測を行った 1 月 15 日，16 日，18 日の午前中は，天候は晴れであり，現地計測時刻における桜島の噴Fig. 11 Measured puffs on Jan. 16. 2013.

煙をスライドにて確認することができる．Photo 9 は，1 月 15 日午前 8 時の噴火の様子である．

4.4

計測結果

セスナ機による桜島周辺の飛行経路を Fig. 9 に示
す．(a)の図は，浮遊火山灰の側面を火山灰の高度に合わせて飛行し，(b)の図は，一旦桜島方面へ戻った
のち，浮遊火山灰の下部を飛行した．さらに，桜島から離れたところで，浮遊火山灰の平面的な火山灰濃度を把握するための飛行経路を(c)に示す．Dust
Photo12 Puffs tracks of Sakurajima (Direction of South)

meter と SkyOpc の計測結果を Fig. 10 に示す．図は飛on Jan. 18 2013 by Google earth.

行の経過に伴う浮遊火山灰の濃度（μg／㎥）の変化を示している．飛行経路全体は，Google earth 上でPhoto 10 に示す．また，ジグザグ飛行の平面的位置を Fig. 10 上段に示す．二種類の計測機器による値は，ガウスフィルタによって平滑化されている．ただし，計測値は両計器による値を比較するために，PM10（粒子径 10μm）以下の火山灰量で表している．計測値は，6 秒間隔なので，時速 80 ノットとして 247m飛行する毎に計測値が得られている．二つの計測機器による値の最大値は異なるものの，ピーク値が現れる時刻は，ほぼ一致している．両者の相関係数を算出したところ 97％となっている．また，Dust meter

Fig. 12 Measured puffs on Jan. 18. 2013.

は，濃度 10,000μm／㎥が計測限界になっているため，SkyOpc を用いた計測値で火山灰濃度を議論するこ―8―

て整理しているので，噴煙の高さが低い場合小さめととする．
浮 遊 火 山 灰 が 視 認 で き る 濃 度 は ， Eliasson etに計測されたと考えられる．今後は，X バンドレーal.(2011)によれば 2000-3000（2-3mg／㎥）であり，ダによって計測される浮遊火山灰の分布と，火山灰それよりも濃度が薄いと浮遊火山灰の境界が明瞭と拡散モデルによる計算との比較を行うこととしていはならない．セスナ機による現地計測時の時間管理

る．

表と Fig. 10 によれば，浮遊火山灰の周辺を飛行した
0 から 126 カウント値は 4mg／㎥以下であり，浮遊5. おわりに火山灰の縁辺を飛行したと考えられる．今回の火山
灰の比重は，2.6g／㎝ 3 として火山灰濃度をもとめて

平成 24 年 7 月の桜島南岳の噴火について，X バンいる．火山灰の比重は，セスナ機エンジンの空気取ド MP レーダによって計測された浮遊火山灰の移動入れ口に設置してあるフィルタに付着したものを採と火山灰拡散モデルによるシミュレーション結果は，取して計量した．因みに浮遊火山灰濃度 4 ㎎/㎥は，ほぼ同様な傾向を示すことが確認された．
また，UAV による浮遊火山灰の粒度分布曲線につ欧州における旅客機の飛行緩和措置では全面飛行禁止となる値である．

いても，2.5μm および 10μm に着目すると一定の傾

1 月 16 日と 18 日に実施した計測結果を Figs. 11, 12

向があることが明らかとなった．に示す．また，両日の Google earth 上における飛行経

さらに，セスナ機によって Dust meter を用いて浮路の一部を Photos 11,12 に示す．1 月 15 日の計測結

遊火山灰の濃度の計測を試みたところ，火山噴出物果に比べて濃度が極端に小さめになっている．両日の特性にもよるが，10 ㎎／㎥の火山灰の濃度が計測とも桜島が噴火してのち，浮遊火山灰が流れに伴っされることが分かった．て計測を実施している．視覚的には浮遊火山灰の存火山灰シミュレーションあるいはセスナ機による在を認識していたつもりであったが，実際には火山火山灰濃度の現地計測は，研究の緒に就いたばかり灰粒子が 15 日に比べて尐ないかったことが Figs. 11,であり，桜島噴火のタイミングを見計らってデータ

12 の結果になったと考えられる．の蓄積を図る予定である．

謝辞

本研究は，科学研究費・平成 24 年度挑戦的萌芽研
究(24651188)(代表：安田成夫)及び，平成 23・24 年度，京都大学防災研究所・一般共同研究「火山灰噴出量・拡散予測と国際人流・物流解析手法の統合による火山リスク評価モデルの構築」の研究資金の一部を使用している．

参考文献
大庭昇, 山本温彦, 富田克利, 大迫暢光, 井ノ上幸造, 中村俊文(1981): 1979～1980 年噴出火山灰
Fig. 13 Plan of puffs at 10:00 on Jan. 15の構2013 by

成物質，性状および生成メカニズム, 鹿児

島大学理学部紀要（地学・生物学）, No.14, pp.1-19,

X-Band MP Radar

1981

4.5

X バンド MP レーダによる計測

新堀敏基，桜井利幸(2010):火山灰の輸送シミュレー

セスナ機による現地計測時に，X バンド MP レーションと航空路火山灰情報，研究集会「火山現象ダによって得られた浮遊火山灰の CAPPI 平面図をFig. 13 に示す．本図は 1 月 15 日 9:50AM に桜島が噴の数値計算研究会」,2010．9
速水洋・中座里美ほか(2006).化学分析用粒子サン火した後の 10:00AM の浮遊火山灰の様子である．筆

プリングにおける NILU フィルタフォルダ用プリ者らが，セスナ機によって現地を飛行した時の印象

セ パ レ ー タ の 分 粒 性 能 の 野 外 試 験 , Journal of
Aerosol Research, 21(1), PP.67-71.に比べて浮遊火山灰の分布の範囲が狭いように感じる．これは，図に示した平面図は標高 1,500m につい南日本新聞: www.373news.com/_sakucap/ 桜島ライブ

―9―

カメラ

van Haren, M. Meier, B. Grobéty and D. Dahmann

安田成夫，梶谷義雄，國友優(2012):X バンド MP レ(2012): Airborne in-situ investigations of theーダによる浮遊火山灰計測の試み，京都大学防災

Eyjafjallajökull volcanic ash plume on Iceland and研究年報，第 55 号Ｂ，pp.1-8, 2012, 6

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― 10 ―